核酸和核苷酸代謝

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核酸的基本單位是核苷酸。遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯都與核酸代謝有關(guān)，核酸代謝與核苷酸代謝密切關(guān)聯(lián)。核苷酸幾乎參與細胞中的所有生化過程。核苷酸的作用：①三磷酸核苷酸是核酸生物合成的前體。②ATP是生物能量代謝中的通用載體，GTP是推動重要生物過程的能量供體。③核苷酸衍生物是許多生物合成反應(yīng)的活性中間物。④腺苷酸是三種重要輔酶(煙酰胺核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷酸和輔酶A)的組分。⑤cAMP和cGMP作為細胞內(nèi)第二信使，調(diào)節(jié)細胞功能和基因表達。第1頁/共53頁2一核酸和核苷酸的分解代謝

動物和異養(yǎng)型微生物可分泌消化酶類來分解食物或體外的核蛋白或核酸類物質(zhì)，以獲得各種核苷酸。核酸核苷酸核酸酶磷酸二酯酶核苷酸核苷酸酶核苷

+磷酸核苷磷酸化酶堿基+1-P-戊糖堿基+

戊糖核苷酶核苷第2頁/共53頁3

核酸是由許多核苷酸以3',5'―磷酸二酯鍵連接而成的大分子化合物。核酸分解代謝的第一步是水解連接核苷酸之間的磷酸二酯鍵，生成低級多核苷酸或單核苷酸。磷酸二酯酶(核酸酶)可催化這一解聚作用。水解RNA的酶稱核糖核酸酶，水解DNA的酶稱脫氧核糖核酸酶。能水解核酸分子內(nèi)磷酸二酯鍵的酶稱核酸內(nèi)切酶，從核酸鏈的一端逐步水解下核苷酸的酶稱外切酶。細胞內(nèi)的核酸都不是恒定不變的，細胞內(nèi)的各種核酸酶參與了核酸的代謝。1核酸的解聚作用第3頁/共53頁42核苷酸的降解

核苷酸水解下磷酸成為核苷。生物體內(nèi)廣泛存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化這一反應(yīng)。非特異性的磷酸單酯酶對所有核苷酸都能作用，特異性強的磷酸單酯酶只能水解3'―核苷酸或5'―核苷酸。核苷經(jīng)核苷酶催化分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶。堿基+

戊糖核苷水解酶核苷+H2O核苷+磷酸核苷磷酸化酶堿基+戊糖-1-磷酸第4頁/共53頁53嘌呤堿的分解

不同生物分解嘌呤的能力不同，代謝產(chǎn)物也不相同。靈長類和鳥類動物的嘌呤降解終產(chǎn)物是尿酸；非靈長類的哺乳動物和腹足類動物是尿囊素；硬骨魚類將尿囊素分解為尿囊酸；兩棲類則將尿囊酸分解為尿素和乙醛酸；甲殼類動物將嘌呤分解為CO2和NH3。腺嘌呤和鳥嘌呤在相應(yīng)的脫氨酶作用下水解脫氨基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶催化下轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?。尿酸最終降解為CO2和NH3。第5頁/共53頁64嘧啶堿的分解

胞嘧啶先脫氨轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏?，尿嘧啶?jīng)還原、開環(huán)水解，最后生成NH3、CO2和β-丙氨酸。β-丙氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用脫去氨基后參加有機酸代謝。胸腺嘧啶經(jīng)還原、開環(huán)水解生成NH3、CO2和β-氨基異丁酸，后者脫去氨基后參加有機酸代謝。第6頁/共53頁7二核苷酸的合成1嘌呤核糖核苷酸的合成

生物利用CO2、甲酸鹽、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸等簡單前體物質(zhì)作為合成嘌呤環(huán)的前體。CO2天冬氨酸N10-甲酰四氫葉酸谷氨酰胺(酰胺氮)甘氨酸N10-甲酰四氫葉酸嘌呤環(huán)的元素來源第7頁/共53頁8①合成過程是在5'-磷酸核糖基礎(chǔ)上進行的。②組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的C1上去的，先合成咪唑環(huán)，再合成駢嘧啶環(huán)。隨著嘌呤環(huán)的生成，5'-核苷酸應(yīng)運而生。第一個被合成的核苷酸是IMP。③AMP、GMP是由IMP轉(zhuǎn)化生成的。

嘌呤核苷酸生物合成的特點：第8頁/共53頁9

生物利用現(xiàn)有嘌呤、嘧啶或核苷合成核苷酸的過程稱為半合成途徑。嘌呤堿+1-磷酸核糖嘌呤核苷+Pi嘌呤堿+PRPP嘌呤核苷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸激酶核苷酸焦磷酸化酶第9頁/共53頁10嘧啶環(huán)各元素來源來自天冬氨酸來自氨甲酰磷酸2嘧啶核糖核苷酸的合成

嘧啶環(huán)是以天冬氨酸、谷酰胺、CO2為前體物質(zhì)合成的。第10頁/共53頁113脫氧核糖核苷酸的合成

脫氧核苷酸的合成不是從脫氧核糖起始的，而是先合成相應(yīng)的核苷酸后，再通過還原作用使其中的核糖脫氧轉(zhuǎn)變成為脫氧核苷酸。催化此還原反應(yīng)的酶體系包括核糖核苷酸還原酶、硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶及FAD、NADP等因子。第11頁/共53頁12硫氧還蛋白還原酶硫氧還蛋白-(SH)2(還原型)硫氧還蛋白-S2(氧化型)核糖核苷酸還原酶(B1和B2)核糖核苷二磷酸脫氧核糖核苷二磷酸+H2O脫氧核糖核苷酸的形成第12頁/共53頁13三遺傳信息1DNA是遺傳信息的攜帶分子1)細胞含有恒定量的DNA2)DNA是細菌的轉(zhuǎn)化因子3)病毒是游離的遺傳因子4)基因是DNA的一段序列5)DNA重組技術(shù)促進了生物學的發(fā)展第13頁/共53頁142RNA使遺傳信息得以表達1)RNA參與蛋白質(zhì)的合成2)RNA進行信息加工3)RNA干擾4)RNA的表型效應(yīng)5)RNA對基因的解讀第14頁/共53頁153遺傳密碼的破譯mRNA是指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的直接模板，是由四種核苷酸組成的。如果由兩個堿基決定一個氨基酸在肽鏈中的位置，則只有16組二聯(lián)體，不能滿足20種氨基酸編碼的需要；如果每三個堿基編碼一個氨基酸，可組合成64組三聯(lián)體，能滿足20種氨基酸編碼的需求。應(yīng)用生物化學和遺傳學實驗證明：三個堿基編碼一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼或密碼子。從1961年開始，用64個已知密碼，找出了與之對應(yīng)的氨基酸。1966-1967年，破譯全部遺傳密碼。第15頁/共53頁16第一位堿基(5′端)第二位堿基（中間）第三位堿基(3′端)UCAGU苯丙苯丙絲絲絲絲酪酪半胱半胱UCAG亮亮終止終止終止色C亮亮亮亮脯脯脯脯組組精精精精UCAG谷酰胺谷酰胺A異亮異亮異亮蘇蘇蘇蘇天冬酰胺天冬酰胺絲絲UCAG賴賴精精甲硫(起始)G纈纈纈纈丙丙丙丙天冬天冬甘甘甘甘UCAG谷谷遺傳密碼字典第16頁/共53頁174遺傳密碼的基本特性1)密碼的基本單位2)密碼的簡并性3)密碼的變偶性4)密碼的通用性5)密碼的防錯系統(tǒng)第17頁/共53頁18四DNA的復(fù)制和修復(fù)1DNA的半保留復(fù)制

DNA復(fù)制時,兩條鏈堿基對之間氫鍵破裂，雙螺旋解開，以每條鏈作模板分別合成新的互補鏈。于是親代DNA分子變?yōu)楹塑账崤帕行蛄型耆嗤膬蓚€子代DNA分子。每個子代DNA分子的一條鏈來自親代DNA，另一條則是新合成的，這樣的復(fù)制合成方式稱為半保留復(fù)制。

1958年，Meselson―Stahl利用氮的同位素15N標記實驗首先證實了DNA半保留復(fù)制。第18頁/共53頁19DNA半保留復(fù)制的實驗證明第19頁/共53頁202DNA的復(fù)制起點和復(fù)制方式DNA復(fù)制是一個受到嚴格控制的過程，復(fù)制是從DNA上定點起始的。大腸桿菌染色體DNA復(fù)制起始區(qū)為含回紋序列GATC多達11次的一段約245bp的特殊序列。復(fù)制起始時，此序列可形成復(fù)雜的十字結(jié)構(gòu)，為復(fù)制酶識別和結(jié)合的信號。原核生物染色體DNA較小，一般只有一個復(fù)制起點。真核DNA的復(fù)制起點沒有順序特異性，是從復(fù)制酶與DNA容易接觸的部位起始的，即兩核小體之間的連接部位。真核DNA有多個復(fù)制起始點。第20頁/共53頁21

DNA復(fù)制時，從復(fù)制點開始，兩條鏈解開，已解開的兩條鏈與未解開的雙鏈間形成叉子樣的結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)制叉。DNA復(fù)制在復(fù)制叉中進行。若從起點開始形成兩個復(fù)制叉，新鏈同時向相反兩個方向延伸，稱為雙向復(fù)制。若從起點開始形成一個復(fù)制叉，新鏈向一個方向延伸，則稱為單向復(fù)制。對稱復(fù)制指兩條鏈同時進行復(fù)制，若一條鏈先復(fù)制，待一條鏈復(fù)制完成另一條鏈才開始復(fù)制，則稱為不對稱復(fù)制。第21頁/共53頁22第22頁/共53頁233DNA聚合酶1)原核生物DNA聚合酶1956年Kornberg等從大腸桿菌提取液中首先發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶I。1969年和1970年，Delucia和Cairns從大腸桿菌分離得到DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ是在1999年才被發(fā)現(xiàn)，他們涉及DNA的易錯修復(fù)。第23頁/共53頁24大腸桿菌三種DNA聚合酶的性質(zhì)比較DNA聚合酶IDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ相對分子質(zhì)量103000880001300003'→5'核酸外切酶+++5'→3'核酸外切酶+--聚合速度(核苷酸/min)1000~1200240015000~60000持續(xù)合成能力3~2001500≥500000主要功能切除引物,修復(fù)修復(fù)復(fù)制第24頁/共53頁252)真核生物DNA聚合酶哺乳動物的DNA聚合酶聚合酶a聚合酶b聚合酶g聚合酶d定位細胞核細胞核線粒體細胞核亞基數(shù)目4124外切酶活性無無3'→5'3'→5'引物合成酶活性有無無無持續(xù)合成能力低低高抑制劑蚜腸霉素雙脫氧TTP雙脫氧TTP蚜腸霉素功能引物合成修復(fù)線粒體DNA復(fù)制和修復(fù)核DNA復(fù)制和修復(fù)第25頁/共53頁26DNA聚合酶的反應(yīng)特點是：①以四種脫氧核苷三磷酸作底物;②反應(yīng)需要模板的指導(dǎo)，模板方向3'→5';③反應(yīng)需要引物3'-OH存在;④DNA新鏈的生長方向為5'→3';⑤產(chǎn)物DNA的性質(zhì)與模板相同。第26頁/共53頁274DNA連接酶

DNA聚合酶只能催化DNA鏈的延伸，不能使兩條DNA鏈端部相互以磷酸酯鍵連接起來，也不能使單鏈DNA環(huán)化閉合。1967年，幾個實驗室同時發(fā)現(xiàn)了DNA連接酶，該酶可使雙鏈DNA中一條斷開的相鄰核苷酸間(斷口的一端為3'-OH，另一端是5'-磷酸基)形成3',5'-磷酸二酯鍵，但不能使游離的兩條鏈直接連接起來。連接反應(yīng)需要能量，在動物和噬菌體由ATP提供，在細菌由NAD提供。此外，參與DNA復(fù)制過程的酶還有轉(zhuǎn)軸酶、旋轉(zhuǎn)酶、解鏈酶、引發(fā)酶、單鏈結(jié)合蛋白等。第27頁/共53頁285DNA的復(fù)制過程DNA復(fù)制是一個受到嚴格控制的過程,復(fù)制是從DNA上定點起始的。大腸桿菌染色體DNA復(fù)制起始區(qū)為含回紋序列GATC多達11次的一段約245bp的特殊序列。復(fù)制起始時，此序列可形成復(fù)雜的十字結(jié)構(gòu),為復(fù)制酶識別和結(jié)合的信號。原核生物染色體DNA較小，一般只有一個復(fù)制起點。真核DNA的復(fù)制起點沒有順序特異性，是從復(fù)制酶與DNA容易接觸的部位起始的，即兩核小體之間的連接部位。真核DNA有多個復(fù)制起始點。第28頁/共53頁291)模板DNA的解鏈和解旋DNA復(fù)制時，解鏈酶與復(fù)制起始區(qū)結(jié)合，利用ATP提供能量，使雙鏈解開，形成復(fù)制叉。在復(fù)制叉中DNA聚合酶以單鏈為模板合成新鏈。隨著解鏈和合成的不斷進行，使復(fù)制叉前面的螺旋進一步扭緊，產(chǎn)生正超螺旋張力，而使解鏈難以繼續(xù)進行。拓補異構(gòu)酶Ⅰ能切斷雙鏈中的一條，斷端繞螺旋轉(zhuǎn)動，釋放解鏈造成的正超螺旋張力。超螺旋解除后封閉斷口。拓補異構(gòu)酶Ⅱ能切斷雙鏈，并向DNA分子中引入負超螺旋，以消除解鏈產(chǎn)生的正超螺旋張力。第29頁/共53頁302)不連續(xù)復(fù)制DNA是兩條反向平行的鏈，DNA聚合酶要求模板和方向是3'→5'。在DNA復(fù)制時，3'→5'走向的模板鏈的新鏈以5'→3'方向連續(xù)合成，稱先導(dǎo)鏈。5'→3'走向的模板鏈的新鏈也是5'→3'方向合成，與復(fù)制叉移動的方向相反，隨著復(fù)制叉的移動，合成出許多不連續(xù)的片段(稱岡崎片段)，最后連接成一條完整的DNA鏈，稱滯后鏈。原核生物中岡崎片段的長度為1000~2000個核苷酸；真核生物中的約200個核苷酸，相當于一個核小體DNA的長度。第30頁/共53頁313)引物合成DNA聚合酶都只能從引物的3'-OH末端延伸DNA鏈，而不能從頭合成。引物是由特定的RNA聚合酶(引發(fā)酶)合成的RNA片段，長度約幾個到十幾個核苷酸。每個合成起始點都需要引物。4)合成終止DNA聚合酶Ⅰ以其5'→3'外切酶活性將RNA引物切除，留下的空缺由該酶從下一個岡崎片段的3'-OH端開始，按模板延伸DNA鏈將缺口補齊，再由DNA連接酶將鄰近岡崎片段連接起來，成為一個完整的新鏈。第31頁/共53頁32DNA復(fù)制過程可分為8個步驟：(1)解鏈蛋白將DNA雙鏈解開。(2)引發(fā)酶結(jié)合于打開的DNA單鏈上，合成RNA引物。(3)解旋酶在復(fù)制叉前面特定位點解旋，以釋放張力。(4)DNA聚合酶Ⅲ按堿基互補原則從引物3'-OH端延伸DNA鏈。(5)DNA鏈延伸致下一個引物時，DNA聚合酶Ⅲ脫離。(6)DNA聚合酶Ⅰ從5'→3'方向切除引物和合成新DNA鏈。(7)岡崎片段之間由DNA連接酶連接成新鏈。(8)新合成的子鏈與模板鏈形成新的DNA雙螺旋鏈。第32頁/共53頁33第33頁/共53頁341)光修復(fù)紫外線照射產(chǎn)生嘧啶二聚體光復(fù)活酶吸收光解開二聚體釋放光復(fù)活酶6DNA損傷的修復(fù)第34頁/共53頁35切開(核酸內(nèi)切酶)切除(核酸外切酶)修復(fù)(DNA聚合酶)連接(DNA連接酶)2)切除修復(fù)第35頁/共53頁36復(fù)制重組再合成3)重組修復(fù)第36頁/共53頁37五RNA的生物合成1RNA聚合酶的類型

原核細胞大腸桿菌中只分離到一種RNA聚合酶，能催化細胞中三種RNA的合成。真核細胞中分離得到多種RNA聚合酶：RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分別催化rRNA、mRNA、5SrRNA和tRNA的合成。線粒體和葉綠體中的RNA聚合酶各自催化線粒體和葉綠體中的RNA轉(zhuǎn)錄合成。第37頁/共53頁38

大腸桿菌RNA聚合酶，相對分子量40萬~50萬，含有2α、β、β'、σ五個亞基。無σ亞基的酶稱為核心酶。σ亞基的功能是幫助核心酶識別轉(zhuǎn)錄起始位點，核心酶的功能是催化聚合反應(yīng)。無σ亞基的核心酶只能使正在合成的RNA鏈延長，但不具有起始合成RNA的能力。2RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)第38頁/共53頁393RNA聚合酶催化聚合反應(yīng)的特點①要求模板方向是3'→5'。②不需要引物，可從頭起始合成。③新鏈延伸方向是5'→3'。④底物是四種核苷三磷酸。⑤反應(yīng)需要Mg2+或Mn2+。第39頁/共53頁401)轉(zhuǎn)錄起始RNA轉(zhuǎn)錄從DNA模板上特定部位開始。從轉(zhuǎn)錄起點開始到上游約35~40bp的一段富AT區(qū)，稱之為啟動子。啟動子包括σ亞基的識別部位、RNA聚合酶緊密結(jié)合部位和轉(zhuǎn)錄起點三個部分。緊密結(jié)合部位是位于轉(zhuǎn)錄起點前10位的一段TATAATG保守區(qū)，稱為TAT盒。4RNA的轉(zhuǎn)錄過程第40頁/共53頁41

轉(zhuǎn)錄起始過程為：RNA聚合酶的σ因子識別啟動子特殊堿基順序，導(dǎo)致RNA聚合酶全酶與啟動子特定部位緊密結(jié)合，并局部打開DNA雙螺旋，第一個核苷三磷酸底物插入轉(zhuǎn)錄起始點部位，與模板配對結(jié)合，轉(zhuǎn)錄從此開始。第41頁/共53頁42

模板上轉(zhuǎn)錄起始點第1位堿基一般是嘧啶，RNA新鏈5'-端第1個摻入的核苷酸則為嘌呤，當與模板堿基互補的第2個核苷三磷酸的5'-磷酸基與第1個核苷酸的3'-OH形成3',5'-磷酸二酯鍵，并釋放焦磷酸則開始了RNA鏈的延伸。隨著RNA聚合酶沿模板3'→5'方向移動，DNA雙鏈不斷解開，新生RNA鏈就不斷延伸。2)延伸第42頁/共53頁43

當新生鏈延長到10~20核苷酸后σ亞基從全酶上脫落，核心酶繼續(xù)催化鏈的延伸。新生的RNA鏈與模板DNA鏈形成的RNA-DNA雜交雙鏈不穩(wěn)定，核心酶移動后留下的兩條單鏈DNA有更強的復(fù)性能力，從而取代雜交鏈中的RNA鏈，雙鏈DNA模板恢復(fù)原樣，新的RNA鏈游離出來。第43頁/共53頁443)轉(zhuǎn)錄終止

轉(zhuǎn)錄在特定位點終止，DNA模板上有終止信號，稱終止子。所有原核生物的終止子在終止位點前均有一個二重對稱序列，之后有一個富含AT序列跟隨。由于終止子結(jié)構(gòu)不同，終止有兩種不同的機制：一種是不需終止蛋白ρ因子幫助的終止，一種是需要ρ因子幫助的終止。不需ρ因子幫助的終止，其終止子的二重對稱結(jié)構(gòu)中富含G、C，之后有寡聚A序列。需ρ因子幫助的終止，其終止子的二重對稱結(jié)構(gòu)中不富含G、C，之后無寡聚A序列。第44頁/共53頁45第45頁/共53頁465RNA的復(fù)制合成

某些RNA病毒，其遺傳物質(zhì)是RNA，其RNA的合成是通過RNA的復(fù)制的方式來完成的。噬菌體Qb中RNA占30%，蛋白質(zhì)占70%。其RNA是4500個核苷酸組成的一條單鏈分子，具有mRNA功能(正鏈)，可編碼成熟蛋白、外殼蛋白和復(fù)制酶的b亞基其RNA的復(fù)制是依賴RNA復(fù)制酶。

RNA復(fù)制酶對模板有高度專一性，只識別自身RNA，對宿主細胞和其他病毒RNA均無反應(yīng)。第46頁/共53頁47核酸降解產(chǎn)生的核苷酸可被核苷酸酶降解，產(chǎn)生核苷和磷酸。核苷和磷酸可在核苷磷酸化酶的作用下生成堿基和1-磷酸戊糖，核苷也可在核苷酸酶的作用下生成堿基和戊糖。腺嘌呤和鳥嘌呤在相應(yīng)的脫氨酶作用下水解脫氨基，分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶催化下轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?。尿酸最終降解為NH3和CO2。生物利用CO2、甲酸鹽、谷酰胺、甘氨酸、天冬氨酸等簡單前體物質(zhì)合成嘌呤核苷酸。提要第47頁/共53頁48嘌呤核苷酸生物合成的特點為：◎

合成過程是在5'-磷酸核糖基礎(chǔ)上進行的?！?/p>

組成嘌呤環(huán)的各元素是逐個壘加到核糖的C1上去的,先合成咪唑環(huán),再合成駢嘧啶環(huán)。隨著嘌呤環(huán)的生成,5'-核苷酸應(yīng)運而生。第一個被合成的核苷酸是IMP?！?/p>

AMP、GMP是由IMP轉(zhuǎn)化生成的。遺傳密碼的基本特性：1)密碼的基本單位2)密碼的簡并性3)密碼的變偶性4)密碼的通用性5)密碼的防錯系統(tǒng)第48頁/共53頁49DNA半保留復(fù)制：DNA復(fù)制時，兩條